CN101477153A - 高频电场测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频电场测试仪，由圆环探头和测试仪本体构成，其圆环探头由圆环天线连接宽带馈电传输部分构成，宽带馈电传输部分的输出与测试仪本体相连接，馈电传输部分采用硬质SMA同轴线，其特点是：硬质SMA同轴线在与圆环天线连接的连接端面上进行了一定角度斜面剖分，形成微波传输渐变过渡段，然后连接端面渐变段末端内外导体与圆环天线相连接。本发明数值模拟分析了不同角度斜面连接直径40mm圆环探头的电磁接收频率响应特性，计算结果表明从频率3GHz左右开始，15°斜面探头电磁接收性能相比60°斜面探头提高了2～5dB。

Description

高频电场测试仪

技术领域

本发明属于电磁兼容领域，具体地讲是一种高频电场测试仪。

背景技术

天线测量是人们一直关注的重要课题之一，方法的精确与否直接关系到与之配套系统的实用与否。随着通讯设备不断更新，对天线的要求愈来愈高，常规远场测量天线的方法由于实施中存在着许多困难，有时甚至无能为力，于是人们就渴望通过测量天线的源场而计算出其辐射场的方法。然而由于探头不够理想和计算公式的过多近似，致使这种方法未能赋于实用。在离开被测体3-5λ(λ为工作波长)距离上，用一个电特性已知的探头在被测体近区某一平面或曲面上扫描抽样(按照取样定理进行抽样)电磁场的幅度和相位数据，再经过严格的数学变换(快速傅立叶变换，FFT)计算出被测体远区场的电特性，这一技术称之为近场测量技术。若被测体是辐射体(通常是天线)，则称之为辐射近场测量(Radiation Near Field Measurement)：当被测体是散射体时，则称之为散射近场测量(Near Field Scattering Measurement)。对辐射近场测量而言，根据取样表面的不同，可分为平面扫描技术，柱面扫描技术和球面扫描技术。同理，对散射近场测量来说，也相应的有平面、柱面、球面散射近场测量。

近场测量方法自本世纪七十年代以来主要用于天线测量(辐射问题测量)，它在待测天线(Antenna Under Test，简写为AUT)的近区内作数据采样。该法与常规的天线远场测量相比，具有以下优点：

(1)近场测量法成本低，且算得的远场方向图的精度比直接的远场测量精度要高的多。

(2)其信息量大，做一次测量就可以得到一个较大立体角域的三维方向图，

(3)用这种方法测量大天线时，消除了远场尺寸的限制，克服了建造大型测试场的困难。

(4)近场测量可以在室内进行，排除了天气的因素，可以全天候工作。

(5)整个测量过程都是在计算机控制下自动完成的，具有较高的保密性。

鉴于这些独特的优点，天线近场测量的方法已成为鉴定天线电指标比较可靠的方法，天线界的学者们公认它可以作为现代天线测量的标准。近年来，在电磁兼容以及抗高功率辐射加固研究方面，针对电子系统设备机箱外壳上的一般孔缝及线缆等后门耦合结构，国内外相关研究机构开展了大量的耦合效应测量实验。通过对实际电子系统机箱结构特征分析可知，其腔体内部电磁测量环境空间有限，相应耦合场的测量一般采用较小尺寸的测量天线，其中最核心的部分就是小尺寸高频探头的研制。

实际测量环境中，不同类型的小型天线对耦合场测量结果影响较大，为了尽量减小测量天线自身对于封闭空间耦合场测量的影响，通常采用结构更为简单的小型测量探头开展测量，如具有小型圆环天线结构的同轴探头。由于圆环探头所测量的物理量是电磁场磁感应强度，对空间电磁场分布扰动较小；相应其结构相对简单，通过在测量空间中适当放置能够基本消除其自身对所测电场感应的高频电流，从而避免产生二次辐射干扰。一般形式的圆环探头由于其结构简单尺寸很小，相应电磁接收灵敏度也较差，因此有必要针对探头的相关结构进行优化设计以提高其接收灵敏度，从而达到改善其对微弱耦合电磁场测量的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高灵敏度，并能够改善其对微弱耦合电磁场测量准确性的圆环探头的高频电场测试仪。

为了实现上述目的，本发明由圆环探头和测试仪本体构成，其圆环探头由圆环天线连接宽带馈电传输部分构成，宽带馈电传输部分的输出与测试仪本体相连接，馈电传输部分采用硬质SMA同轴线，其特点是：硬质SMA同轴线在与圆环天线连接的连接端面上进行了一定角度斜面剖分，形成微波传输渐变过渡段，然后连接端面渐变段末端内外导体与圆环天线相连接。

上述硬质SMA同轴线在与圆环天线连接的连接端面上进行15°的角度斜面剖分。

上述圆环天线的直径为40mm。

本发明数值模拟分析了不同角度斜面连接直径40mm圆环探头的电磁接收频率响应特性，计算结果表明从频率3GHz左右开始，15°斜面探头电磁接收性能相比60°斜面探头提高了2～5dB。在实际耦合场测量中，在发射天线对测量探头空间辐射距离一定的条件下，由于空间电磁波高频辐射相对低频而言衰减很大，因而15°斜面圆环探头针对高频接收能力的改善在现实微弱耦合场的测量中具有较大意义。最后开展了40mm直径圆环15°斜面连接探头电磁接收测量实验，相应计算测量探头对于发射天线的相对接收幅值，并与实验测量结果进行对比分析研究，二者变化趋势基本吻合；从而说明本发明中数值计算分析探头电磁接收特性结果基本准确可信。

附图说明

图1为本发明圆环探头计算模型空间示意图

图2为本发明数值计算探头所测出电压示意图。

图3为本发明不同斜面探头电磁接收频率响应示意图。

图4为本发明15°斜面连接SMA同轴圆环探头示意图。

图5为本发明探头实际电磁接收实验框图示意图。

图6为本发明圆环探头接收幅值数值计算与实测结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

在实际工程应用中，电磁耦合场测量研究所涉及的电磁脉冲类型较多，既有低频方面的超宽带脉冲又有高频窄带脉冲，因而测量探头工作频率范围一般为100MHz～18GHz。出于测量频率的要求，圆环探头初步由小型圆环天线及宽带馈电传输部分组成，其中馈电传输部分采用特性阻抗50Ω的硬质SMA同轴线。

对于不带有微波同轴传输线的简单圆环天线电磁接收性能，可进行以下理论分析。设天线面积为S，匝数为n，当放置于频率为f的平面波场中且天线平面与磁场H方向垂直时，其感应电压e最大，其大小为

e＝2πfμ₀SnH                 (1)

对平面波而言，电场E与磁场H之间可通过波阻抗Z₀进行换算

Z₀＝E/H＝120πΩ              (2)

将式(2)代入(1)，并把频率换算成对应的波长λ，可得圆环天线的感应电压为

$e=\frac{2\mathrm{\πSn}}{\mathrm{\λ}}E---\left(3\right)$

根据式(3)可得到圆环天线接收端口所测电压与电场强度的比例关系，其随被测电场频率增大而增大，相应圆环天线的低频接收电压较低，在高频方面其实际接收电压由于天线所接微波传输线的存在也不可能太高。

一般圆环天线的接收端面与同轴传输线内外导体直接相连接，在非常宽的测量频率范围内，二者存在较大阻抗不匹配。为了减小电磁接收圆环天线与同轴传输线的阻抗不匹配，在其连接端面上进行了一定角度斜面剖分，形成微波传输渐变过渡段，然后渐变段末端内外导体再与圆环相接，从而减小微波传输的不连续，以至在一定程度上提高了探头的电磁接收灵敏度。

探头数值模拟计算

基于上述对圆环斜面连接探头结构的初步分析，结合具体电磁测量环境要求，数值模拟计算了直径40mm圆环15°斜面连接SMA同轴探头的时域接收电压值，以便了解斜面连接处电磁波传输的不连续性。为了分析不同角度斜面结构对圆环探头电磁接收特性的影响，对3种角度(15°，30°，60°)斜面连接圆环探头开展电磁接收频率响应计算。

采用3维直角坐标下FDTD(时域有限差分)方法进行数值模拟分析，整个计算模型空间如图1所示。模型空间的6个边界面由完美匹配层PML吸收媒质组成，入射平面波由A点所在面引入，其时域形式为频谱范围0～18GHz的高斯脉冲。入射波极化方式为水平极化，相应模型探头的圆环面也水平放置以使其所感应电压最大。探头同轴传输线另一末端内外导体都延伸至PML吸收媒质中，从而消除末端开路所造成的反射电磁波干扰。在图1中，分别在距离与圆环连接端20mm处(B处)及40mm处(C处)同轴线内部监测内外导体间电压变化值。

在具体计算中，为了精确描述模型探头斜面连接处的细微结构，以很小的空间步长(最小波长的1/33)0.5mm对整个模型空间进行非均匀网格划分。由探头的物理尺寸可计算得到模型空间网格为101×39×265，从而能对模型探头结构进行较好模型离散化，相应由FDTD计算稳定性条件可得时间步长为0.3ps。在设定上述参数的条件下开展数值计算能基本保证计算结果精确。

2.2数值计算结果与分析

首先对直径40mm圆环15°斜面连接SMA同轴探头，应用以上设定的高斯脉冲入射平面波。通过计算可得模型探头最终接收电压，其时域波形如图2所示。由图可见同轴传输线内不同位置(B，C处)计算所得电压波形完全一致，仅仅在时间上C处相对于B处延时了0.096ns，这说明在B处即距离圆环连接端20mm处的同轴线内高次模式电磁波影响已经基本不存在，故B，C处计算所得电压即为实际探头端口测量电压。在图中第一个主波形是圆环所感应的主要电磁场能量，相应后面两个小脉冲形成的主要原因，是由于圆环天线与同轴传输线在很宽频段内不能做到完全阻抗匹配，引起电磁脉冲在圆环天线与斜面连接点间来回振荡，产生电磁谐振所致。

由探头时域计算波形通过傅里叶变换可得其频域电压幅值U，然后与入射电场强度频域幅值E之比，即为探头天线系数的倒数，其中天线系数为

F_a＝E/U                    (4)

该参数主要反映了探头在各个频率点上的电磁能量接收特性。在原有计算结果的基础之上，进行了不同角度(15°，30°，60°)斜面连接直径40mm圆环探头的接收特性计算，其结果如图3所示。3种不同角度斜面探头的低频接收都较差，这主要是由探头圆环尺寸大小所限。在高频段(f>3GHz)3种探头接收特性曲线始终存在多个谐振峰值，但15°，30°斜面探头相比60°斜面探头在较高频段(f>10GHz)内特性曲线较为平滑，谐振峰值变化较小，说明前两种探头在相应频段内的阻抗匹配相对较好。通过对比分析，在整个频域内15°斜面探头电磁接收能力相对较好，大约从3GHz频率开始，15°斜面探头比60°斜面探头提高了2～5dB。在以上数值计算条件的基础之上，进一步通过电磁场计算软件MAFIA，分别就40mm圆环15°和60°斜面探头结构进行建模，由该软件的T3(3维时域计算模块)开展数值仿真模拟，也得到了相同的计算结果，从而确保自编程序计算的可信度。

探头接收测量实验

根据计算机数值模拟计算结果，针对15°斜面连接结构形式，实际加工了3种不同直径(26mm，40mm，52mm)的圆环探头，具体结构如图4所示。测量探头的总体结构尺寸相对较小，其总长度一般为10cm左右。探头的微波传输部分采用标准SMA硬质同轴线，末端进行15°斜面剖分加工处理，其内外导体分别与圆环馈电两端焊接相连，整个探头表面经过镀金处理以减小高频电磁传输损耗。

为了验证探头数值计算结果的准确与否，利用直径40mm圆环15度斜面探头开展实际电磁接收实验，其实验原理如图5所示。主要实验仪器有矢量网络分析仪安捷伦E8363B、宽带天线标准EMC双脊喇叭天线、以及低损耗微波线缆。在具体实验布局中，宽带天线发射电磁波的极化方式为水平极化，以至在垂直面内测量电缆(如与测量探头相连电缆)对测量影响最小，而测量探头圆环面相应也水平放置以便能感应到最大电压。

结合宽带天线结构尺寸及最高测量频率大小，在基本满足空间辐射远场区条件下，再考虑到微波线缆的高频损耗以及网络分析仪测量的噪声本底，可初步确定宽带天线口面与测量探头圆环中心的空间辐射距离d为3m，整个测量实验是在微波暗室内进行。由于宽带发射天线工作频率限制，相应实验测量频率范围为1～18GHz。

通过微波网络分析仪对整个通路S₂₁参数的扫频测量，相应减去微波测量电缆的通路损耗衰减，从而得到测量探头对于发射天线所辐射电磁波的相对接收幅值。

计算与实验结果对比分析

通过数值模拟计算所得40mm直径圆环15°斜面探头天线系数的倒数(1/F_a)值，由天线系数F_a与天线增益G的转换公式可得到测量探头的天线增益

G＝20lgf-F_a-29.79           (5)

式中：G单位为dB；f单位为MHz。结合实际测量实验中宽带发射天线增益、以及电磁波空间距离辐射衰减量，由电磁波传输损耗公式，可计算得到测量探头接收功率P_r对于发射天线辐射功率P_t的相对接收幅值，以便与实验所测结果进行对比分析研究，其中相对接收幅值表达式为

$\frac{P_r}{P_t}=G_t\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\πd}\right)}^2}{G}_r---\left(6\right)$

式中：λ为电磁波波长；d为空间辐射距离；G_r为测量探头增益；G_t为发射天线增益。

由式(6)可计算得到测量探头的相对接收幅值，并与网络分析仪对探头的实际测量结果进行对比，如图6所示。经对比分析可知，在1～18GHz频率范围内探头电磁接收幅值的总体变化趋势上计算与实测结果基本一致，在低频阶段二者相对吻合较好。在高频阶段，初步分析认为，实际加工探头同轴内导体与圆环连接焊接点的存在，削弱了对电磁场的接收能力，而在数值模拟中对探头连接焊接点未能建模加以考虑，从而计算所得电磁接收强度相对较大，二者结果有一定差距。总的说来，探头实际测量结果基本反映40mm直径圆环15°斜面探头电磁接收特性变化趋势，证明针对该圆环斜面探头开展数值模拟计算的结果基本准确。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1、一种高频电场测试仪，由圆环探头和测试仪本体构成，其圆环探头由圆环天线连接宽带馈电传输部分构成，宽带馈电传输部分的输出与测试仪本体相连接，馈电传输部分采用硬质SMA同轴线，其特征在于：硬质SMA同轴线在与圆环天线连接的连接端面上进行了一定角度斜面剖分，形成微波传输渐变过渡段，然后连接端面渐变段末端内外导体与圆环天线相连接。

2、如权利要求1所述的高频电场测量仪，其特征在于：硬质SMA同轴线在与圆环天线连接的连接端面上进行15°的角度斜面剖分。

3、如权利要求1所述的高频电场测量仪，其特征在于：圆环天线的直径为40mm。

4、如权利要求1所述的高频电场测量仪，其特征在于：同轴线输出端内外导体都延伸至PML吸收媒质中，从而消除末端开路所造成的反射电磁波干扰。

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